1.本发明属于太阳能光热转换技术领域；具体涉及一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.在节能减排的时代背景下，太阳能作为一种清洁可持续能源具有得天独厚的优势。如何高效利用太阳能，将太阳能转换成热能并用于光热治疗、光驱动电子器件、建筑加热等领域已成为了广泛关注的焦点。
3.光热转换材料可以持续吸收太阳能，通过自身转换将能量以热量的形式不断散发出来。常见的光热转换材料有有机化合物、碳基材料和贵金属纳米颗粒。但是，这些材料普遍存在着自身缺陷，比如：以聚苯胺为代表的有机化合物光热转换效率低且存在着严重的光漂白，以石墨烯为代表的碳基材料价格昂贵且无法规模化应用，以金纳米颗粒为代表的贵金属纳米颗粒存在着光吸收范围窄且需要均匀负载到基体材料的问题。因此，需要研究及拓展光热转换效率高、可规模化应用、成本低、可持续的光热转换材料。
4.光热转换材料需要负载到基体材料上，而常见的基体材料是石油基聚合物。大量的研究集中在将光热转换材料作为填料、石油基塑料作为基体来制备光热转换复合材料，讨论复合材料的光热转换效率、热稳定等性能，忽略了石油基聚合物对环境的影响。由于对塑料差的废物管理以及其在自然条件下难以降解，塑料污染对生态环境、人类健康造成了长期的危害。因此，寻找一种环境友好的可持续基体材料也十分重要。
5.天然木材是地球上最广泛存在的可持续利用资源，其主要成分为纤维素、木质素和半纤维素。纤维素具有非常高的力学性能，包括高的拉伸强度(6gpa)和杨氏模量(150gpa)。并且高的长径比、表面丰富的羟基使其适合制备基体材料。木质素作为植物细胞壁的主要组成成分，在地球上有丰富的储量。并且木质素具有紫外线吸收、耐热氧老化、疏水的特点。单一的纤维素对水分敏感，限制了其使用场景。木质素本身难以成型，力学强度较低。并且木质素从植物中提取出来后呈黑褐色，致使复合材料不透明，也进一步限制了木质素增强复合材料的应用。如何结合纤维素和木质素的优势，将其用于制备光热转换复合材料，并进一步提高其耐水性、力学性能和光学性能，需要进一步研究。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供了一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜及其制备方法。
7.本发明通过以下技术方案实现：
8.一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，包括如下步骤：
9.步骤1、将木材进行脱木素处理后浸泡在去离子水中，得到脱木素处理木材，待用；
10.步骤2、将步骤1得到的脱木素处理木材进行tempo(2,2,6,6
‑
四甲基哌啶氧化物，free radical,2,2,6,6
‑
tetramethylpiperidine 1
‑
oxyl)氧化处理，然后用去离子水进行洗涤，得到tempo氧化木材，待用；
11.步骤3、将碱木质素溶解于丙酮溶剂中，使用超声分散器进行超声分散，然后进行离心，去上清液，得到碱木质素溶液，待用；
12.步骤4、将步骤2得到的tempo氧化木材浸入步骤3得到的碱木质素溶液，浸泡24
‑
30h后，取出晾干后，得到碱木质素处理木材，待用；
13.步骤5、将步骤4得到的碱木质素处理木材进行热压处理，得到所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜。
14.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1中的木材为巴尔沙木、杨木、桉木、杉木、椴木、柳木、泡桐、松木中任意一种的径截面，所述的木材厚度为0.5
‑
1.5mm。
15.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1中脱木素处理所用的脱木素溶液为1
‑
1.5wt％的亚氯酸钠溶液，所述亚氯酸钠溶液通过冰乙酸调控ph值为4.6。
16.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1脱木素处理，温度为80
‑
85℃，时间为12
‑
15小时。
17.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中tempo溶液的配置为将0.032gtempo、2.26g亚氯酸钠、1.4ml次氯酸钠溶液倒入200ml磷酸缓冲液中，搅拌均匀后得到，tempo氧化处理反应温度为60
‑
65℃，时间为48
‑
60小时。
18.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中次氯酸钠溶液中的有效氯含量为60wt％,所述的磷酸缓冲液是通过混合92ml磷酸氢二钠溶液和107ml的磷酸二氢钠溶液制成的，所述的磷酸氢二钠溶液浓度为0.1mol/l，所述的磷酸二氢钠溶液浓度为0.1mol/l。
19.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中碱木质素和丙酮溶剂的料液比为15mg:75
‑
90ml。
20.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中超声功率为900
‑
1200w，超声时间为1
‑
1.5小时，离心速率为2000
‑
3000rpm，离心时间为3
‑
5分钟。
21.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤5中热压温度为110
‑
120℃，压力为8
‑
10mpa，热压时间为5
‑
6小时。
22.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法制备的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜，所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜为半透明薄膜。
23.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，以纤维素为基体，以木质素为填料，将木片通过脱木素、tempo氧化处理制备的木材衍生的纤维素框架做为基体，浸泡在经超声离心后的碱木质素
‑
丙酮溶液，通过溶液置换法将木质素原位沉积到纤维素框架内。热压后，木质素通过氢键作用将纤维素纤维包裹，并且木质素
之间发生自我键合，形成了致密的结构，得到半透明的、高力学强度、耐水的、全木质基的光热转换薄膜。
24.本发明所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，能够使木质素均匀的沉积到纤维素框架中，致密化的结构使复合薄膜具有高的力学强度，良好的半透明性，木质素的苯丙烷结构使薄膜耐水性提高，同时提高了薄膜的光热转换性能，使其适用于制备光热治疗、光驱动电子器件、建筑加热等领域。
附图说明
25.图1为具体实施方式一方法制备的所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的应力应变曲线对比图；
26.图2为具体实施方式一方法制备的所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的透明度对比图；
27.图3为具体实施方式一方法制备的所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的水接触角曲线对比图；
28.图4为具体实施方式一方法制备的所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的光谱吸收对比图；
29.图5为具体实施方式一方法制备的所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的横截面微观结构sem照片；
30.图6为对比例压缩木材的横截面微观结构sem照片；
31.图7为对比例未处理木材的横截面微观结构sem照片。
具体实施方式
32.具体实施方式一：
33.一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，包括如下步骤：
34.步骤1、将木材进行脱木素处理后浸泡在去离子水中，得到脱木素处理木材，待用；
35.步骤2、将步骤1得到的脱木素处理木材进行tempo氧化处理，然后用去离子水进行洗涤，得到tempo氧化木材，待用；
36.步骤3、将碱木质素溶解于丙酮溶剂中，使用超声分散器进行超声分散，然后进行离心，取上清液，得到碱木质素溶液，待用；
37.步骤4、将步骤2得到的tempo氧化木材浸入步骤3得到的碱木质素溶液，浸泡24h后，取出晾干后，得到碱木质素处理木材，待用；
38.步骤5、将步骤4得到的碱木质素处理木材进行热压处理，得到所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜。
39.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1中的木材为巴尔沙木、杨木、桉木、杉木、椴木、柳木、泡桐、松木中任意一种的径截面，所述的木材厚度为1mm。
40.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1中脱木素处理所用的脱木素溶液为1wt％的亚氯酸钠溶液，所述亚氯酸钠溶液
通过冰乙酸调控ph值为4.6。
41.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1脱木素处理，温度为80℃，时间为12小时。
42.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中tempo溶液的配置为将0.032gtempo、2.26g亚氯酸钠、1.4ml次氯酸钠溶液倒入200ml磷酸缓冲液中，搅拌均匀后得到，tempo氧化处理反应温度为60℃，时间为48小时。
43.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中次氯酸钠溶液中的有效氯含量为60wt％,所述的磷酸缓冲液是通过混合92ml磷酸氢二钠溶液和107ml的磷酸二氢钠溶液制成的，所述的磷酸氢二钠溶液浓度为0.1mol/l，所述的磷酸二氢钠溶液浓度为0.1mol/l。
44.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中碱木质素和丙酮溶剂的料液比为15mg:75ml。
45.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中超声功率为900w，超声时间为1小时，离心速率为2000rpm，离心时间为3分钟。
46.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤5中热压温度为110℃，压力为8mpa，热压时间为5小时。
47.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，制备的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜为半透明薄膜。
48.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜和压缩木、天然木材的应力应变曲线对比图如图1所示，从图1能够看出，天然木材的力学强度为13.5mpa，在热压后，压缩木的力学强度提高到108.3mpa，这是因为天然木材多孔结构被压溃，通过氢键连接形成了更加致密化的结构。木质素原位沉积到纤维素框架随后进行热压处理，试样的力学强度提高到196.8mpa，这是由于全木质基薄膜具有更致密化的结构，从微观上解释，这归因于纤维素与木质素之间的氢键形成以及木质素自身粘接作用。
49.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜和压缩木、天然木材的透明度对比图如图2所示，本实施方式的全木质基光热转换薄膜在800nm出展现出50％左右的总透过率，远远高于天然木材和压缩木的总透过率，这归因于全木质基光热转换薄膜更加致密化的结构，减少了光的散射，提高了其透过率。具有高透过率的全木质基光热转换薄膜可以将自然光和室内照明进行结合，进一步提高了能源利用率，减少额外的碳排放。
50.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜和压缩木、天然木材的水接触角曲线对比图如图3所示，从图3能够看出，天然木材和纤维素框架的水接触角在0
°
左右，压缩木的水接触角在0
‑
600秒时间段内从30
°
降低到2
°
，全木质基薄膜的水接触角在0
‑
600秒时间段内从80
°
降低到40
°
。全木质基光热转换薄膜具有更好的耐水性的原因主要由两点：一是全木质基光热转换薄膜具有更加致密化的结构，在接触水时能够更好地屏蔽水分子；二是全木质基光热转换薄膜中木质素的苯丙烷结构具有疏水性，提高了材料的耐水性。具有高耐水性的全木质基光热转换薄膜可进一步应用到室外环境。
51.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜和压缩木、天然木材的光谱吸收对比图如图4所示，从图4能够看出在全部太阳光谱下，全木质基光
热转换薄膜具有更好的吸光度，表明在相同光照强度下，全木质基光热转换薄膜具有更好的太阳光谱光热转换能力。
52.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜和压缩木、天然木材的横截面微观结构sem照片如图5、图6、图7所示，从图5能够看出，全木质基光热转换薄膜非常致密化的结构，相比于图6中的压缩木，小裂纹消失。图6中压缩木的横截面，相比于图7中的天然木材，细胞结构被压溃，形成了致密化的结构，但是仍然存在小裂纹。
53.具体实施方式二：
54.一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，包括如下步骤：
55.步骤1、将木材进行脱木素处理后浸泡在去离子水中，得到脱木素处理木材，待用；
56.步骤2、将步骤1得到的脱木素处理木材进行tempo氧化处理，然后用去离子水进行洗涤，得到tempo氧化木材，待用；
57.步骤3、将碱木质素溶解于丙酮溶剂中，使用超声分散器进行超声分散，然后进行离心，取上清液，得到碱木质素溶液，待用；
58.步骤4、将步骤2得到的tempo氧化木材浸入步骤3得到的碱木质素溶液，浸泡30h后，取出晾干后，得到碱木质素处理木材，待用；
59.步骤5、将步骤4得到的碱木质素处理木材进行热压处理，得到所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜。
60.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1中的木材为巴尔沙木、杨木、桉木、杉木、椴木、柳木、泡桐、松木中任意一种的径截面，所述的木材厚度为0.5mm。
61.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1中脱木素处理所用的脱木素溶液为1wt％的亚氯酸钠溶液，所述亚氯酸钠溶液通过冰乙酸调控ph值为4.6。
62.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1脱木素处理，温度为85℃，时间为15小时。
63.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中tempo溶液的配置为将0.032gtempo、2.26g亚氯酸钠、1.4ml次氯酸钠溶液倒入200ml磷酸缓冲液中，搅拌均匀后得到，tempo氧化处理反应温度为65℃，时间为50小时。
64.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中次氯酸钠溶液中的有效氯含量为60wt％,所述的磷酸缓冲液是通过混合92ml磷酸氢二钠溶液和107ml的磷酸二氢钠溶液制成的，所述的磷酸氢二钠溶液浓度为0.1mol/l，所述的磷酸二氢钠溶液浓度为0.1mol/l。
65.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中碱木质素和丙酮溶液的料液比为15mg:90ml。
66.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中超声功率为1200w，超声时间为1小时，离心速率为3000rpm，离心时间为3分钟。
67.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤5中热压温度为120℃，压力为8mpa，热压时间为6小时。
68.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法制备的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜，所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜为半透明薄膜。
69.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，以纤维素为基体，以木质素为填料，将木片通过脱木素、tempo氧化处理制备的木材衍生的纤维素框架做为基体，浸泡在经超声离心后的碱木质素
‑
丙酮溶液，通过溶液置换法将木质素原位沉积到纤维素框架内。热压后，木质素通过氢键作用将纤维素纤维包裹，并且木质素之间发生自我键合，形成了致密的结构，得到半透明的、高力学强度、耐水的、全木质基的光热转换薄膜。
70.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，能够使木质素均匀的沉积到纤维素框架中，致密化的结构使复合薄膜具有高的力学强度，良好的半透明性，木质素的苯丙烷结构使薄膜耐水性提高，同时提高了薄膜的光热转换性能，使其适用于制备光热治疗、光驱动电子器件、建筑加热等领域。
71.具体实施方式三：
72.一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，包括如下步骤：
73.步骤1、将木材进行脱木素处理后浸泡在去离子水中，得到脱木素处理木材，待用；
74.步骤2、将步骤1得到的脱木素处理木材进行tempo氧化处理，然后用去离子水进行洗涤，得到tempo氧化木材，待用；
75.步骤3、将碱木质素溶解于丙酮溶剂中，使用超声分散器进行超声分散，然后进行离心，取上清液，得到碱木质素溶液，待用；
76.步骤4、将步骤2得到的tempo氧化木材浸入步骤3得到的碱木质素溶液，浸泡24
‑
30h后，取出晾干后，得到碱木质素处理木材，待用；
77.步骤5、将步骤4得到的碱木质素处理木材进行热压处理，得到所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜。
78.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，以纤维素为基体，以木质素为填料，将木片通过脱木素、tempo氧化处理制备的木材衍生的纤维素框架做为基体，浸泡在经超声离心后的碱木质素
‑
丙酮溶液，通过溶液置换法将木质素原位沉积到纤维素框架内。热压后，木质素通过氢键作用将纤维素纤维包裹，并且木质素之间发生自我键合，形成了致密的结构，得到半透明的、高力学强度、耐水的、全木质基的光热转换薄膜。
79.本实施方式所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，能够使木质素均匀的沉积到纤维素框架中，致密化的结构使复合薄膜具有高的力学强度，良好的半透明性，木质素的苯丙烷结构使薄膜耐水性提高，同时提高了薄膜的光热转换性能，使其适用于制备光热治疗、光驱动电子器件、建筑加热等领域。
80.具体实施方式四：
81.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄
膜的制备方法，步骤1中的木材为巴尔沙木、杨木、桉木、杉木、椴木、柳木、泡桐、松木中任意一种的径截面，所述的木材厚度为0.5
‑
1.5mm。
82.具体实施方式五：
83.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1中脱木素处理所用的脱木素溶液为1
‑
1.5wt％的亚氯酸钠溶液，所述亚氯酸钠溶液通过冰乙酸调控ph值为4.6。
84.具体实施方式六：
85.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤1脱木素处理，温度为80
‑
85℃，时间为12
‑
15小时。
86.具体实施方式七：
87.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中tempo溶液的配置为将0.032gtempo、2.26g亚氯酸钠、1.4ml次氯酸钠溶液倒入200ml磷酸缓冲液中，搅拌均匀后得到，tempo氧化处理反应温度为60
‑
65℃，时间为48
‑
60小时。
88.具体实施方式八：
89.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤2中次氯酸钠溶液中的有效氯含量为60wt％,所述的磷酸缓冲液是通过混合92ml磷酸氢二钠溶液和107ml的磷酸二氢钠溶液制成的，所述的磷酸氢二钠溶液浓度为0.1mol/l，所述的磷酸二氢钠溶液浓度为0.1mol/l。
90.具体实施方式九：
91.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中碱木质素和丙酮溶剂的料液比为15mg:75
‑
90ml。
92.具体实施方式十：
93.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤3中超声功率为900
‑
1200w，超声时间为1
‑
1.5小时，离心速率为2000
‑
3000rpm，离心时间为3
‑
5分钟。
94.具体实施方式十一：
95.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法，步骤5中热压温度为110
‑
120℃，压力为8
‑
10mpa，热压时间为5
‑
6小时。
96.具体实施方式十二：
97.根据具体实施方式三所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜的制备方法制备的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜，所述的一种高力学强度、透光、耐水的全木质基光热转换薄膜为半透明薄膜。